CN107955586A - 纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用。其技术方案是：纤维素纳米纤维应用于钻井液用流型调节剂，纤维素纳米纤维在钻井液的填加量为0.1~3.0%，按体积比。有益效果是：本发明的纤维素链之间相互缠绕形成三维网状的空间网架结构，达到“增粘提切”目的，同时这种空间网架结构在外力的作用下极易被破坏，当外力撤除后便会重新恢复，具有“快速弱凝胶”特性，有助于增强钻井液体系的剪切稀释性与触变性，从而有效地调控钻井液体系的流变性能；本发明提供的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂，不仅具有良好的钻井液“增粘提切”性能，还具有可再生、无毒可降解、低成本等优点。

Description

纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用
技术领域
本发明涉及一种石油和天然气行业中钻井液领域，特别涉及一种纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用。
背景技术
随着油气资源钻探开发范围逐步走向深层超深层、海洋深水、非常规等复杂地质条件地层，油基钻井液已逐渐成为首选钻井液体系，但随着我国环保法律法规的不断完善及环保要求的不断提高，大量废弃油基钻井液与含油钻屑无法直接排放，无害化处理工艺技术复杂，设备投入大，处理成本高，大大限制了其推广应用范围。现阶段，研发具有仿油基钻井液性能的环保型高性能水基钻井液体系，已成为国内外钻井液行业的研究重点与热点。
高性能水基钻井液是一种新型水基钻井液体系类型，其综合性能与油基钻井液相当，但能够满足钻井液环保要求，且成本更低。目前高性能水基钻井液多选用淀粉、纤维素、生物聚合物等天然高分子处理剂，以实现钻井液流变、滤失性能的有效调控。但天然高分子处理剂材料的高温稳定性较差，当温度超过120~130℃时极易发生分解、氧化、断裂而失效。现场实际应用中，为了满足复杂高温地层条件下的钻井液性能要求，高性能水基钻井液体系往往复配使用合成高分子或磺化类钻井液处理剂，不仅影响了钻井液的环保性能，而且提高钻井液的应用成本。因此，研发无毒可降解、低成本的天然高分子处理剂，替代合成高分子聚合物处理剂，以满足高温条件下钻井液流变、滤失性能要求，将成为高性能水基钻井液的重要研究方向之一。
纤维素纳米纤维是一种可再生、无毒、低成本的天然高分子材料，与传统的纤维素材料相比，具有强度高、模量高、热膨胀系数小、高温稳定性好等优良特性，且原材料来源广泛，制备工艺简单。纤维素纳米纤维能够较好地分散在水溶液中，有效地提高水溶液的粘度与切力，其在高性能水基钻井液处理剂方面具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的合成高分子聚合物处理剂的成本高、环保性能差等缺陷，提供一种纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用。
本发明提到的一种纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其技术方案是：纤维素纳米纤维应用于钻井液用流型调节剂，纤维素纳米纤维在钻井液的填加量为0.1~3.0%，按体积比。
优选的，上述的纤维素纳米纤维为羧甲基纤维素纳米纤维、阳离子纤维素纳米纤维或羟乙基纤维素纳米纤维。
优选的，上述纤维素纳米纤维的微观形态为纤丝状。
优选的，上述纤维素纳米纤维的平均直径为2~50nm。
优选的，上述纤维素纳米纤维的长径比为100~1000。
优选的，上述纤维素纳米纤维在钻井液加量为0.5~2.0%。
优选的，上述纤维素纳米纤维通过以下方法进行制备：
将纤维素纳米纤维的原料配制成体积百分比浓度为1~100g/L的改性纤维素水分散液，利用动态超高压微射流机在均质压力为60~180MPa下，对纤维素或改性纤维素水分散液进行重复处理1~20次，将所得产物进行固液分离、烘干干燥，得到所述纤维素纳米纤维。
优选的，上述固液分离采用高速离心分离，其中，高速离心分离的转速为6000~15000r/min，高速离心分离的时间为10~30min。
优选的，上述烘干干燥的方法采用真空干燥，其中，真空干燥的温度为60~120℃，真空干燥的时间为2~6h。
本发明的有益效果是：本发明将纤维素纳米纤维或其改性产物作为钻井液用流型调节剂加入到水基钻井液体系中，纤维素链之间相互缠绕形成三维网状的空间网架结构，达到“增粘提切”目的，同时这种空间网架结构在外力的作用下极易被破坏，当外力撤除后便会重新恢复，具有“快速弱凝胶”特性，有助于增强钻井液体系的剪切稀释性与触变性，从而有效地调控钻井液体系的流变性能；
本发明提供的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂，不仅具有良好的钻井液“增粘提切”性能，还具有可再生、无毒可降解、低成本等优点。
具体实施方式
结合以下实施例，对本发明作进一步的描述：
本发明提到的纤维素纳米纤维通过以下方法进行制备：将纤维素样品配制一定浓度的水分散液，在一定的均质压力作用下，利用动态超高压微射流机对纤维素或改性纤维素水分散液进行重复处理，将所得产物进行固液分离、烘干干燥，即得纤维素纳米纤维。
根据上述方法，所述纤维素或改性纤维素水分散液的浓度为0.1~10%，优选为0.5~3%。根据上述方法，所述动态超高压微射流机的均质压力为60~180MPa，优选为120~160MPa。根据上述方法，所述动态超高压微射流机的重复处理次数为1~20次，优选为5~10次。根据上述方法，所述固液分离的方法采用高速离心分离，其中，高速离心分离的转速为6000~15000r/min，优选为10000~12000r/min，高速离心分离的时间为10~30min，优选为20~30min。根据上述方法，所述烘干干燥的方法采用真空干燥，其中，真空干燥的温度为60~120℃，优选为80~100℃，真空干燥的时间为2~6h，优选为4~6h。
根据上述制备方法，制备了三种纤维素纳米纤维，具体如实施例1~3。
实施例1
将羧甲基纤维素配制1%wt的水分散液，在均质压力140MPa作用下，利用动态超高压微射流机对羧甲基纤维素水分散液进行重复处理8次，将所得产物在12000r/min下离心20min，80℃条件下烘干6h，即得羧甲基纤维素纳米纤维，测得其平均直径为21nm，长径比为335。
实施例2
将阳离子纤维素配制3%wt的水分散液，在均质压力120MPa作用下，利用动态超高压微射流机对羧甲基纤维素水分散液进行重复处理10次，将所得产物在11000r/min下离心30min，100℃条件下烘干4h，即得阳离子纤维素纳米纤维，测得其平均直径为13nm，长径比为458。
实施例3
将羟乙基纤维素配制2%wt的水分散液，在均质压力160MPa作用下，利用动态超高压微射流机对羟乙基纤维素水分散液进行重复处理6次，将所得产物在12000r/min下离心20min，100℃条件下烘干5h，即得羟乙基纤维素纳米纤维，测得其平均直径为28nm，长径比为275。
下面对实施例1-3的效果进行说明。
测试方法：采用水基钻井液现场测试程序（GB/T 16783-1997）。
基浆配制：在高搅杯中加入4.0%预水化膨润土浆400mL，搅拌20分钟，即为基浆。
实验浆配制及测试：分别向实验基浆中加入0.5%wt（重量比）的评价样品（实施例1样品，实施例2样品，实施例3样品），高速搅拌均匀，利用六速粘度计与中压滤失仪测试实验浆的流变性及滤失性。将实验浆装入高温老化罐中，在150℃下热滚老化16h，用同样方法测试其流变性及滤失性。测试结果如表1所示。
分析表1可知，所发明提供的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂，在150℃老化前后均具有良好的“增粘提切”性能，同时显著提高了钻井液动塑比，具有“快速弱凝胶”特性，能够增强钻井液体系的剪切稀释性与触变性，有效地调控钻井液体系的流变性能，从而解决了淀粉、生物聚合物等常用天然高分子处理剂的高温稳定性较差问题。此外，本发明提供的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂，还可以降低钻井液的API滤失量，兼具有较好的降滤失性能。
表1 钻井液流变滤失性能测试结果
注：AV为钻井液表观粘度；PV为钻井液塑性粘度；YP为钻井液动切力；API为钻井液中压失水量。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再进行说明。
本发明不局限于上述优选实施方式的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。任何人应该得知凡是在本发明的思想和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，其同样应当视为本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：纤维素纳米纤维应用于钻井液用流型调节剂，纤维素纳米纤维在钻井液的填加量为0.1~3.0%，按体积比。
2.根据权利要求1所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述的纤维素纳米纤维为羧甲基纤维素纳米纤维、阳离子纤维素纳米纤维或羟乙基纤维素纳米纤维。
3.根据权利要求1所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述纤维素纳米纤维的微观形态为纤丝状。
4.根据权利要求1所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述纤维素纳米纤维的平均直径为2~50nm。
5.根据权利要求1所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述纤维素纳米纤维的长径比为100~1000。
6.根据权利要求1所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述纤维素纳米纤维在钻井液加量为0.5~2.0%。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述纤维素纳米纤维通过以下方法进行制备：
将纤维素纳米纤维的原料配制成体积百分比浓度为1~100g/L的改性纤维素水分散液，利用动态超高压微射流机在均质压力为60~180MPa下，对纤维素或改性纤维素水分散液进行重复处理1~20次，将所得产物进行固液分离、烘干干燥，得到所述纤维素纳米纤维。
8.根据权利要求7中所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述固液分离采用高速离心分离，其中，高速离心分离的转速为6000~15000r/min，高速离心分离的时间为10~30min。
9.根据权利要求7中所述的纤维素纳米纤维作为钻井液用流型调节剂的应用，其特征是：所述烘干干燥的方法采用真空干燥，其中，真空干燥的温度为60~120℃，真空干燥的时间为2~6h。
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